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绪论航空发动机涡轮叶片的运行经验表明，大多数裂纹都是沿着垂直于叶片主应力方向的晶粒间界即横向晶界上产生和发展的。因此消除这种横向晶界，则可大大提高叶片抗裂纹生长能力。定向凝固就是基于这种设想对叶片铸件的凝固过程进行控制，以获得平行干叶片轴向的柱状晶粒组织。柱状晶之间只有纵向晶界而无横向品界，这就是定向凝固的柱晶叶片，如果采取某些措施，只允许有一个晶粒成长的柱晶，从面消除了一切晶界，这就是单晶叶片。由于定向凝固技术用于真空熔铸高温合金涡轮叶片，航空发动机的材料和性能有了极大的提高，特别是单晶叶片的性能和使用寿命比普通精铸叶片提高了许多倍，因此自70年代初期，定向凝固高温合金涡轮叶片开始应用以来，世界各先进的军用及民用航空发动机都普遍采用定向凝固或单晶铸造叶片。1.定向凝固1.1定向凝固原理进行定向凝固以得到连续完整的柱状晶组织，必须满足以下两基本条件:(l)在整个凝固过程中，铸件的固一液相界面上的热流应保持单一方向流出，使成长晶体的凝固界面沿一个方向推进;(2)结晶前沿区域内必须维持正向温度梯度，以阻止其他新晶核的形成。1.1.1定向凝固过程定向凝固时合金熔液注入壳型，首先同水冷底板相遇，于是靠近板面的那一层合金熔液迅速冷至结晶温度以下而开始结晶，但此时形成的晶粒，其位向是混乱的，各个方向都有。在随后的凝固进行过程中，由于热流是通过已结晶的固体金属合金有方向性地向冷却板散热，且结晶前沿是正向温度梯度，根据立方晶系的金属及合金（Ni、Fe、Co等及其高温合金）在结晶过程中晶体100是择优取向，长大速度最快，从而那些具有100方向的晶粒择优长大，而将其他方向的晶粒排挤掉。只要上述定向凝固条件保持不变，取向为100的柱状晶继续生长，直到整个叶片，如图1-1所示。单晶铸造是定向凝固中的一个特例…由一个柱状晶构成的铸件即单晶！！图1-1晶体定向生长示意图1.1.2凝固参数定向凝固的结晶组织与凝固参数即温度梯度G和凝固成长速率R有密切关系。温度梯度G是指该处的温度随距离的变化(эT/эZ)，特别是凝固区附近的温度梯度G值的大小是控制定向凝固的关键性参数。（多年来定向凝固工艺的改进多着眼于此，如最初的功率降低法，G值小于10℃/cm，而现在的液体金属冷却法则可达到200℃/cm以上。）G值愈大，合金的凝固区愈窄，铸件的补缩愈好，疏松愈少组织愈致密。凝固成长速率R是指柱状晶生长的速率，R值愈大，则凝固过程愈短，生产效率愈高。比值G/R是合金凝固区成长形态的特征参数，不同的G/R比值，会获得不同的结晶组织。G/R比值小，通常为树枝状凝固界面，得到柱状晶或等轴晶，目前工业生产中的铸锭和铸件的结晶组织都属于这一类。G/R比值增大到某临界值以上时，则凝固界面为胞状，得到胞状晶。当G/R比值很大时，凝固界面平滑，得到平面型结晶，凝固界面结晶形式与R、G值的关系如图1-2所示。图1-2温度梯度G和凝固速率R对凝固界面结晶形式的影响正温度梯度散热方向乘积G×R用β表示，其物理意义为单位时间内的温度变化，即冷却速率。式中TL和TS—为液相线和固相线温度；△τ—局部凝固时间，即铸件某处由液相线温度到固相线温度所经过的时间间隔；l—固液相线温度差所经距离，也即为△τ局部凝固时间内柱状晶成长的距离。一定的合金，冷却速率越大，则局部凝固时间越短，该合金晶体的二次枝晶臂距(s2)越细小,也意味着合金组织均匀致密，强度和抗疲劳性能好。1.2定向凝固工艺定向凝固工艺主要有发热铸型法、功率降低法、高速凝固法和液态金属冷却法。目前高速定向凝固法是高温合金精铸定向凝固技术中应用最广的一种方法，大量涡轮叶片都是采用这种工艺生产的，液态金属冷却法尚处于试验阶段。1.2.1发热铸型法其凝固过程如图1-3所示。金属液注入后，由于水冷铜板的激冷导热，底部开始结晶，形成细小等轴晶层，以后晶粒择优取向，100取向晶粒优先长大，开始柱晶生长。在柱晶长大过程中，铸型周围的发热剂放热补充热流，使柱晶继续长大，直至过热逐渐消失，温度梯度G值减小，开始等轴晶的生长。发热铸型法简单便宜，其主要缺点是随板距增大，G与R值均迅速下降，使柱晶由轴向平面转向扇面，树枝晶大小及偏角发生变化。图1-3发热铸型法1.2.2功率降低法（PD法）是最初用于生产规模的定向凝固叶片铸造工艺，其装置如图1-4所示。该装置的感应体一般由石墨制成，其内型壳放置于水冷底盘上，合金的熔化、铸型预热、浇注及铸件的凝固等均在真空下进行，型壳预热到合金的浇注温度后，再浇入合金熔液，随之切断下面一组的感应圈的电流，使其内合金熔液在上高下低的温度梯度下从水冷底板处开始结晶并向上长大，随后逐渐降低上部感应圈的电功率，保证柱状晶的生长直至全部凝固结束。图1-4功率降低法功率降低法可以根据预定的冷凝曲线控制凝固增长速率R，从而得到较满意的柱晶组织。缺点是：1）周期长，生产效率低；2）由于凝固过程中凝固区前方发生合金熔体的局部对流，容易在铸件表面产生呈链状分布的“雀斑”缺陷，消除“雀斑”的关键是增大凝固区附近的温度梯度；3）随着柱状晶的生长，凝固区逐渐远离冷却底盘，温度梯度G和凝固增长速率R逐渐变小，铸件水平方向出现温度差，侧壁的型壳散热，造成铸件组织在垂直和水平方向上的不均匀性。1.2.3高速凝固法(HRS法)为了提高定向凝固速率，发展了高速定向凝固法，其装置如图1-5所示。与功率降低法不同之处，只是在感应加热体下部安装一隔热挡板，并在水冷底盘下添上一个型壳抽出机构，使浇注后型壳随同冷却底板逐渐下移。隔热挡板则挡住了感应体的辐射热，使型壳内未凝固区处于热区的高温下，而型壳移出部分的凝应用最广！！！固区处于冷区，热流则由水冷板通过传导移出，一部分热流则通过辐射向四周散热，从而合金凝固界面前沿的温度梯度G值比一般功率降低法提高2倍，凝固增长速率R值提高近4倍。铸件质量和生产效率都显著提高，较长的定向叶片也可由此法制得。图1-5高速凝固法1.2.4液体金属冷却法(LMC法)该法装置如图1-6所示，其特点是有一冷却剂槽。对冷却剂的要求是熔点低，沸点高，蒸气压低，且对高温合金的物理化学和力学性能应无影响。通常用的冷却剂为液体锡，锡的熔点只有505k，沸点高达2540k。图1-6液态金属冷却法1-降落机构户；2-真空室；3-吊架；4-加热器；5-型壳；6-液锡池;7-电热丝；8-转轴2.单晶铸造工艺从热流控制角度来看，上述定向凝固工艺均可用来制得单晶。单晶工艺主要是在型壳设计上有所不同，即增设了单晶选择通道，使一定数量的晶粒进入单晶选择通道底部，只有一个晶粒从选择通道顶部露出并充满整个型腔。单晶选择通道一般采用小直径向上角度的螺旋体或几个直角转弯的通道，典型的螺旋体直径为0.3~0.5cm。与定向凝固过程相同，在水冷铜板上首先形成许多任意取向的晶粒，然后在择优取向生长原则下，100取向的晶粒优先生长，有更快的生长速度，通常有2~6个100或110取向的晶粒进入单晶选择通道，经过一或二圈的螺旋体后，只有一个100晶粒出现于型腔底部并生长，从而制得单晶叶片。为了阻止型壳内各部分杂晶形核的发生，单晶型壳的预热温度和熔融合金的过热度更高，典型的模温为1500~1600℃，比定向凝固柱晶高出25~100℃，温度梯度也由约36℃/cm提高到72℃/cm。单晶叶片型壳设计特点及合金熔体在选择通道内的凝固过程示意如图2-1所示。图2-1单晶法示意图a-单晶叶片铸型设计；b-单晶叶片凝固过程图2-2是一种单晶涡轮叶片及其选择通道的实物图片。在单晶叶片凝固过程中，有一系列的截面变化发生，如叶身到平台及平台到榫（ｓǔｎ）根，此时必须调节热流，使固、液相等温线近似水平并使之位于挡板附近处，以防止杂晶生核，破坏单晶的生长，为此必须通过挡板设计、壳模的厚度及型壳移动速度的调此过程中，重要的是控制热流，防止杂晶形核！！节，来恰当地控制热流，使其凝固界面保持水平并在挡板附近。图2-2单晶叶片及其选择通道实型3.定向凝固及单晶合金的组织、性能3.1组织定向凝固合金呈柱晶组织，按择优取向原则，柱晶取向一般为100，但柱晶间并不严格平行，往往有短小的横向晶界存在，柱晶与主应力轴之间的偏离一般控制在10°~15°之内。柱晶合金组织与定向凝固工艺有关，随着温度梯度G与凝固生长速度R值的提高，枝晶组织及γ´相尺寸变细小，碳化物等偏析程度减轻，合金的强度及塑性随之得到改善。单晶合金组织受定向凝固参数的影响，如NASIR-100合金在不同凝固速率R下（温度梯度G值不变）的铸态组织形貌，即随着凝固速率R值的增大，分别得到平面、胞状、粗枝和细枝的界面凝固单晶。平面界面凝固的合金显微组织只有γ基体相和γ´相两相组成，γ´相粗大，且呈不规则形状。而在胞状和枝晶界面凝固单晶内，往往有少量γ/γ´共晶出现于胞晶间或枝晶间隙内，γ´相随凝固速率增大面愈益细小，形状趋向于规则的立方体。当前，单晶炉的温度梯度G值不大，为了获得平面或胞状单晶凝固，必然单晶的性能明显比定向凝固合金提高得更多！！减小凝固速率R值，而获得过大的不规则形态的γ´相，使合金高温蠕变性能降低，因此至今各国实际研究和应用的单晶涡轮叶片，都是枝晶凝固下的合金组织。3.2性能定向及单晶合金对瞬时拉伸性能的影响如图3-1和图3-2所示，与普通铸造合金相比，单晶和定向合金的拉伸强度σb提高不多，但延伸塑性有明显的改善。图3-1不同温度下三种铸造形态（普通铸造、定向、单晶）的Mar-M200合金拉伸性能a-屈服强度与温度的关系；b-抗拉强度与温度的关系图3-2不同温度下三种铸造形态(普通铸造、定向、单晶)的Mar-M200合金延伸率定向及单晶合金的一个显著特点是其弹性模量小，如图3-3所示，从而定向及单晶合金的热疲劳性能成倍提高。如图3-4是现代单晶合金和普通铸造的IN100合金的承温能力与热疲劳寿命对比结果。图3-3定向与普通铸造Mar-M200合金的弹性模量E静随温度的变化图3-4现代单晶合金与普通铸造镍基高温合金IN100的承温能力和热疲劳寿命定向及单晶合金的最显著的性能特点是蠕变强度及持久性能的成倍提高，特别是持久塑性远远高于普通铸造合金，如表3-1所示。表3-1Mar-M200合金的蠕变强度和持久性能④单晶合金的力学性能还与其晶体取向有关，不同取向对单晶合金持久寿命及屈服强度的影响不同。参考文献1黄乾尧，李汉康等.高温合金.北京:冶金工业出版社，20002胡汉起.金属凝固原理，第2版.北京:机械工业出版社，20003高温合金手册编写组编，高沮合金手册.19824铸造高温合金论文集编委会编，铸造高温合金论文集1993.北京:中国科学技术出版社，19935W.Kurz，D.J.Fisher.FundamentalsofSolidification，4threvisededition.北京:高等教育出版社，2010